Il Cuore Artificiale

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IL CUORE ARTIFICIALE

WILLIAM C. DEVRIES, MD Assistant Professor of Surgeiy

Chairman, Dlvition of Cardiofhoracic S u r g q Universi~ of Utah Medical Center

LYLE D. JOYCE, MD, PhD Assistant Professor qf Surgeiy Division of Cardiothoracic Surgeiy UniversiQ of Utah Medical Center Salt Lake CiQ

"Qua1 i: l'utilita di questa nuova invenzione?", venne chiesto a Benjamin Franklin.

"Qua1 1. l'utilita di un neonato?", fu la sua ri- sposta.

I1 2 dicembre 1982 a Salt Lake City nello Utah

6 stato irnpiantato un cuore artificiale nel torace di un dentista di 61 anni affetto da una cardiomiopatia all'ultimo stadio. Questo evento ha rappresentato un ulteriore progresso nella lunga storia della circolazione assistita.

Le cardiopatie rappresentano tuttora la principale causa di morte negli Stati Uniti essendo re- sponsabili di circa un milione di decessi all'anno. Le misure preventive che controllano fattori di rischio quali il fumo, l'ipertensione arteriosa, l'obesita, l'eccessivo stress, l'insufficiente attivita fisica stanno gradualmente riducendo questo ti- po di mortaliti. Vi 6 stato inoltre un considere- vole miglioramento nelle procedure diagnosti- che e terapeutiche atte a prevenire la morte indotta da malattie gii presenti. Nel corso degli ul- tirni 20 anni negli Stati Uniti sono stati spesi 01- tre 200 milioni di dollari in ricerche per lo sviluppo di un cuore artificiale utilizzabile a live110 clinico.

STORIA

I1 concetto di sostituire la funzione del cuore umano con un dispositivo meccanico non 1. as- solutamente nuovo. Inizialmente il cuore rnec-

canico fu concepito come un dispositivo per fornire il sangue soltanto a determinati organi e tes- suti, sostituendo cosi soltanto una parte della circolazione. Nel 1812 Julien-Jean-Char La Gal- lois osservb che "se si fosse potuto sostituire il cuore con una specie d'iniezione di sangue arte- rioso sarebbe stato possibile mantenere in vita per un tempo indefinito qualsiasi parte dell'or- ganisrno". Nel 1880 Henry Martin contribui al- progresso delle nostre conoscenze sulla fisiolo- gia di base del cuore con il suo sisterna di perfusione di cuore e polrnoni isolati, noto oggi come macchina cuore-polrnoni.

Negli ultimi anni del XIX secolo, si fecero diversi tentativi per sviluppare progetti di ossige- natori a pompa e nel 1882 Von Schroder dirno- stro l'impiego di un semplice ossigenatore a bolle a flusso continuo. Nel1928 H.H. Dale e E.H.J. Schuster in Inghilterra progettarono cib che probabilmente ha costituito la prima pompa a diaframma. Era stata studiata a110 scopo di sostituire la funzione sia della cavita destra, sia di quella sinistra del cuore naturale e di fornire una circolazione completa nell'anirnale. G i i nel 1934 Mi- chael DeBakey aveva ideato una semplice pornpa ruotante o "roller" che viene attualmente im- piegata in tutte le macchine cuore-polmoni.

Charles Lindbergh, poco tempo dopo il suo prim0 volo solitario transatlantic0 nel 1927, sti- rnolato dalla grave malattia di sua cognata, che era affetta da una valvulopatia cardiaca, comin- cio a studiare i possibili sistemi di supporto car-

diaco. Insieme ad Alexis Carrel sviluppo un ossigenatore a pompa e nel1935 dirnostrb la possibi- lita di attuare una perfusione estesa a tutto l'organismo. Essi scrissero: "Noi forse possiamo so- gnare di asportare gli organi malati dall'organismo e collocarli nella Pompa di Lindbergh, dove potrebbero essere trattati molto piu energica- mente di quando si trovano all'interno dell'organismo e, se guariti, potrebbero venire nuovamente impiantati nel paziente".

La pompa per perfusione attirb l'attenzione dei giornalisti che la denominarono "cuore ro- bot" e "cuore di vetro".

Nel 1937 John Gibbon inizib a lavorare sulla sua macchina cuore-polmoni che fu introdotta nella pratica clinica nel 1953.

Tetsuzo Akutsu e Willern Kolff nel 1957, mentre lavoravano presso la Cleveland Clinic, svilupparono il concetto di un cuore irnpiantabi- le cornpletarnente artificiale, inserendo due pompe compatte per il sangue nel torace di un cane in sostituzione del cuore (Tavola 1). Nei primi esperimenti i cuori artificiali erano costituiti da cloruro di polivinile ed erano azionati da una fonte extracorporea di aria cornpressa. Un cane riusci a soprawivere per circa 90 minuti.

Nel 1967 Kolff lascib Cleveland per Salt Lake City a110 scopo di fondare la Divisione degli Or- gani Artificiali presso I'Universita dello Utah, dove ebbe la possibiliti di associare la ricerca m e d i a alle discipline ingegneristiche.

Nel corso di questo period0 Clifford Kwan- Gett progettb diversi cuori azionati da un sistema pneurnatico, u n o dei quali mantenne in vita un cane per 50 ore (Tavola 2). Nel frattempo si svilupparono anche altri rnetodi di supporto miocardico parziale comprendenti un dispositivo per il supporto del ventricolo sinistro e la pompa a pallone intraortica, irnpiegata in clinica per la prima volta nel 1967 da A. Kantrowitz. Nel 1969 Denton Cooley asporto un aneuri- sma ventricolare in un paziente di 47 anni affet- to da scompenso cardiaco irreversibile. A1 termine dell'intervento n o n fu possibile staccare il paziente dalla pompa del by-pass cardiopolmonare. Cooley asportb allora il cuore e impiantb una protesi completa del ventricolo destro e sinistro azionata da un sistema pneurnatico, che era stata progettata da Domingo Liotta. Questa protesi i

cardiaca inserita in mod0 ortotopico mantenne in vita il paziente per 64 ore, quindi venne tra- piantato il cuore di un donatore. I1 trapianto funzionb per 32 ore prima che il paziente moris- se a causa di una polmonite fulrninante.

Nel corso del successivo decennio si i: tentato di progettare un cuore artificiale ad energia nu-

cleare ed un altro azionato da un motore elet- trico.

Nel 1978 Robert Jarvik e Donald Olsen, colla- borando con Kolff, impiantarono un cuore azionato da un rnotore in un vitello che soprawisse per 35 giorni; tuttavia, il cuore era voluminoso ed i difetti rneccanici frequenti.

Nel fratternpo venne sernpre pih perfezionato il cuore azionato da un dispositivo pneurnatico e nel 1981 un vitello, di norne Tennyson, visse 268 giorni con questo cuore totalmente artificiale, un record del tempo di soprawivenza. Tenny- son rnori la sua crescita fu eccessiva in rapport0 alla capaciti dell'apparecchio, un problerna di frequente riscontro negli esperirnenti condotti su bovini.

Nel luglio del 1981 Cooley impiantb un cuore artificiale azionato da un sisterna pneumatico, sviluppato da Akutsu, in un giovane olandese, ricoverato nell'uniti di terapia intensiva, che aveva-avuto un arrest0 cardiaco diverse ore dopo un intenento per triplo by-pass coronarico. I1 cuore artiticiale venne utilizzato per 27 ore come proaedimento ternporaneo finchi: fu possibile trapiantare il cuore di un donatore. Dopo il trapianto il paziente visse ancora per altri 7 giorni e mezzo.

IL CUORE .ARTIFICIALE DELL0 UTAH

Molti scienziati hanno contribuito a sviluppare il cuore artificiale totale dello Utah nel corso degli ultimi 20 anni.

Jarvik ha apportato importanti modifiche nel progetto dell'attuale pornpa che porta il suo no- me (Tavola 3). I ventricoli del cuore Jarvik-7 pre- sentano una superficie liscia a contatto con il sangue realizzata con poliuretano segrnentato (Biomer). I diaframrni sono costituiti da fogli di Biomer a quattro strati altamente flessibili e quindi risultano estrernarnente pieghevoli. Que- sto cuore artificiale azionato da un sistema pneumatic0 6 formato da due ventricoli separati con camere d'aria. L'aria viene spinta in mod0 intermittente dentro e fuori dalle carnere d'aria con frequenza regolabile, attivando in tal mod0 il diaframma (Tavola 4).

I

ventricoli sono modellati in mod0 che la superficie a contatto con il sangue formi uno strato continuo con il sostegno. I due ventricoli hanno un volume complessivo pari a 680 cc ed ogni ventricolo ha una gettata di 100 ml. I ventricoli hanno una forma sferica e le aree di passaggio ai grandi vasi e agli atri sono poste in posizione anatornica. Quattro valvole a disco in carbone pirolitico assicurano un flusso di sangue unidire- zionale. I manicotti atriali, realizzati in tessuto

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Tavola 1

I primi modelli di cuore artificiale

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Tavola 2

I primi modelli di cuore artificiale (continuazlone)

Cuore in metallo rivestito di Teflon sviluppato originariamente da Yukihiko Nose, in cui si impiegavano due sacche pompanti in gomma di silicone. (Nell'illustrazione e ramresentat0 un cilindro meiailico sezionato ) Questo modello causava un'eccess~va emoiisi ed era scarsamente adattabile dal punto di vista anatomico, ma mantenne in vita una pecora per 50 ore nel 1969

Cuore ad energia nucleare sviluppato dagli ingegneri della Westinghouse e dagli scienziati dell'llniversita dello Utah nel 1975. 11 sangue veniva pompato da un pistone a stantuffo azionato da un motore nucleare insellto nell'addome. Questo modello si dimostro ~ r i v o di utilita pratica a cause della radioattivita e deile dimension1

II cuore Jarvik-3. Questo cuore ed i successivi modelli

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mantennero in vita per molti mesi alcuni animali. (I vitelli alla .-.

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fine raggiungevano dimensioni eccessive per la capacita -. dell'apparecchio.) Nei modelli di Jawik veniva utilizzato un

sistema propulsore extracorporeo di tip0 pneumatic0 e s'impiegavano diaframmi polistratificati di Biomer (poliuretano

segmentato) che hanno meno probabilita di rompersi rispetto al Robert Jawik che progetto poliuretano ad un solo strato. II cuore Jarvik-7 venne impiantato il cuore artificiale

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Tavola 5

II sisterna propulsore del cuore pneurnatico

Frequenza cardiaca

di Dacron, prowedono alla connessione con gli atri naturali. I manicotti sono uniti a1 cuore artificiale rnediante sistemi di connessione rapids

costituiti da segmenti rivestiti da policarbonato rigido. Le protesi vascolari di Dacron prowedono alla connessione con i grandi vasi. Speciali cavi di trasrnissione collegano il cuore artificiale con la sorgente esterna di energia. I cavi di trasrnissione, che sono costituiti da un tub0 rinfor- zato in poliuretano del diametro di 3/8 di pollice, emergono dall'organismo a livello dell'area periombelicale sinistra (Tavola 14). A livello della cute ogni cavo di trasrnissione attraversa un bottone cutaneo costituito da tessuto di Teflon, che stirnola la cresdta tissutale intorno a1 cavo nonostante i frequenti rnovimenti del cavo stesso quando il paziente t in attiviti.

I cavi di trasmissione sono collegati a due tubi di poliuretano, del diametro di 5/8 di pollice e lunghi 8 piedi, che a loro volta sono collegati con il sisterna propulsore. Una cintura addorni- nale assicura i tubi ai cavi di trasrnissione.

I1 sisterna propulsore del cuore pneumatic0 dello Utah 6 collegato ad una fonte di aria compressa, di vuoto e di elettridti (Tavola 5).

L'aria cornpressa pub essere ottenuta da speciali attacchi che si trovano nell'ospedale o da serbatoi portatili di nitrogen0 o di aria compressa. I serbatoi portatili, che hanno le dirnensioni di due bornbole da subacqueo, sono in grado di sostenere il paziente per circa 4-6 ore. I1 collega- mento con una fonte di vuoto pneurnatico 6 fa- coltativo e non sembra migliorare la performan- ce cardiaca complessiva nelle prove cliniche. In caso di rnancanza di energia elettrica subentrano imrnediatarnente le batterie ricaricabili poste sul carrello. I1 sisterna propulsore pub essere messo a punto in rnodo da regolare il numero di battiti per rninuto, le pressioni di propulsione del ventricolo destro e sinistro e la sistole percentuale per i due ventricoli. Le dirnensioni dell'attuale sisterna propulsore sono circa il doppio di quelle di una sedia a rotelle per adulti ed il suo peso 6

pari a circa 375 libre; tuttavia sari presto disponibile un'uniti portatile e cornpatta.

I1 volume rnassirno della gettata del cuore artificiale corrisponde a circa 100 ml per ogni ventricolo, ma varia con la pressione di afflusso e segue quindi la legge di Frank Starling; l'apparecchio 6 di conseguenza sensibile a1 precarico e a1 postcarico. Una pressione di afflusso compre- sa tra 5 e 7 mmHg genera una gettata cardiaca cornpresa tra 4 e 5 l/min., rnentre una pressione di afflusso cornpresa tra 10 e 15 rnrnHg dari luo- go automaticarnente ad una gettata cardiaca di 12-13 l/rnin. senza che si verifichi una modifica- zione della frequenza cardiaca.

Espm'menri sr animali

Numerosi test di simulazione della circolazione hanno dirnostrato che i ventricoli del cuore artificiale dello Utah, cosi come il suo sistema propulsore, sono estrernamente resisten- ti ed affidabili dal punto di vista rneccanico (Ta- vola 6).

Fino ad ora i cuori Jawik-7 ed-i sisterni propulsori sono stati valutati in condizioni di stress fisiologico, in un sisterna in vitro, per oltre 4 anni (408.079.500 cicli) senza che si manifestasse un deterioramento fisiologico.

Dal 1968 circa 350 cuori artifidali sono stad impiantati sia su vitelli in fase di crescita, sia su ovini presso l'univeniti dello Utah. I1 tempo rnedio di soprawivenza di questi anirnali

e

pas- sato da 10 ore nel1969 ad oltre 75 giomi. Recen- ternente due vitelli sono vissuti per 221 giorni ed una pecora 6 soprawissuta per 297 giorni.

Gli animali sopportano l'eserdzio in modo soddisfacente (Tavola 7). La causa della loro morte 6 variabile; rnolti vitelli ad esernpio cre- scono in rnodo eccessivo rispetto alla capaciti del cuore meccanico. Nella rnucca adulta la gettata cardiaca pub superare i 16 Yrnin., un volume che il cuore artifidale totale non

e

in grado di sostenere. In alcuni vitelli si sviluppa un tessuto connettivo fibroso (panno) intorno alle zone di afflusso, che determina una stenosi della tricu- spide o della mitrale (si ritiene che la formazio- ne di questo tessuto dcatriziale sia una caratteri- stica esclusiva dei vitelli). L'infezione della protesi non costituisce p i i un problerna frequente grazie all'introduzione di bottoni cutanei, appo- sitamente progettati, che consentono una diminuzione delle infezioni intorno ai cavi della pornpa. La morte per insuffidenza rneccanica dell'apparecchio si verifica rararnente. I1 danno agli elementi cellulari del sangue veniva una volta considerato un fattore lirnitante per la soprav- vivenza dei vitelli con cuore artificiale totale; tuttavia, i migliorarnenti apportati a1 progetto del cuore, a1 rnateriale, alle tecniche di fabbrica- zione e a1 trattarnento postoperatorio hanno re- so possibile la soprawivenza degli anirnali per lunghi in eccellenti condizioni di salute e con valori degli esarni ernatologici, clinici e della coagulazione entro i limiti della noma. Nonostante questi rnigliorarnenti, prima di poter impiegare nell'uorno il cuore utilizzato negli esperimenti sugli animali

e

stato necessario apportare ulteriori rnodifiche. Per facilitare le necessarie rnodifiche del progetto sono stati rno- dellati alcuni calchi del torace urnano il cui contorno differisce da quello degli anirnali (Ta- vola 8).

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Tavola 8

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Adattarnento del C U O ~ ~ artificiale a1 torace ~ m a n 0 CRITERI PER LA SELEZIONE DEI PAZIENTI

Stampo di torace umano con un modello di cuore naturale ed altre strutture in sede

Gli starnpi del torace umano e del loro conrenuto vennero modellati per avere la certeua che il cuore Jarvik-7 si sarebbe adattato nello spazio disponibile senza ~ndurre torsione oppure ostruzione dei vasi

Attualmente il gruppo di ricercatori Idell'universiti dello Utah Medical Center ha ottenuto dalla Food and Drug Administration d&li Stati Uniti il permesso d'impiantare il cuore artificiale in due categorie di pazienti. La prima categoria comprende i pazienti che dopo un intervento sul cuore non possono pih essere staccati dalla pompa dell'apparecchio per la circolazione extracorporea. Si calcola, anche se i dati esatti sono diffi- cilmente ottenibili, che vi siano ogni anno negli Stati Uniti oltre 2000 pazienti in queste condizioni.

I1 cuore artificiale pub essere impiantato in questi pazienti quando ogni altra misura di supporto, compresi i farmaci e I'impiego della pompa intraortica a pallone, non sia riuscita a ristabi- lire un adeguato funzionamento del cuore naturale.

La seconda categoria di pazienti eleggibili comprende quei soggetti che nell'ambito degli 8000-10000 pazienti con cardiomiopatia in fase terminale non risultano idonei a1 trapianto car- d i a c ~ . La disponibiliti di organi di donatori e le relative spese limitano il numero dei possibili trapianti cardiaci.

Nel 1982 sono stati eseguiti negli Stati Uniti soltanto 45-50 trapianti; la pih elevata percentuale di soprawivenza, a un anno, ha raggiunto circa il 70%. A causa della marcata sproporzione tra il numero disponibile di organi di donatori e il numero di pazienti che necessitano di un trapianto, i criteri di selezione sono diventati estre- mamente rigidi e non sono generalmente considerati eleggibili coloro che hanno superato i 50 anni.

Pih di un terzo dei pazienti selezionati per il trapianto cardiaco muore prima che si renda disponibile il cuore di un donatore; in futuro quindi si dovra prendere in considerazione I'impianto di un cuore artificiale in quei pazienti considerati idonei per un trapianto, ma le cui condizioni peggiorano troppo rapidamente per attendere ulteriormente.

Negli anni a venire potranno essere considerati eleggibili per I'impianto di un cuore artificiale i pazienti colpiti da shock cardiogeno secondario ad infarto miocardico massivo.

Ogni anno negli Stati Uniti oltre un milione di persone viene colpito da un attacco di cuore ed oltre la m e t i muore d'infarto. Pih del 50% muore a1 di fuori dell'ospedale; tuttavia molti pazienti che muoiono in ospedale in conseguenza di un danno miocardico massivo potrebbero essere salvati se si potesse impiantare rapidamente un cuore artificiale totale.

I pazienti prescelti per I'impianto del cuore artificiale presso I'Universiti dello Utah Medical Center devono soddisfare i criteri di selezione della FDA e devono appartenere alla classe IV funzionale, ciok devono presentare significatiri sintomi cardiaci in condizioni di riposo, second0 quanto stabilito dalla New York Heart Associa- tion.

Nei pazienti appartenenti alla classe IV generalmente si evidenzia mediante cateterismo cardiaco una frazione di eiezione inferiore a1 18%, con un indice cardiaco inferiore a 1,s I/min./mn. Se si esegue una biopsia miocardica percutanea devono mancare i segni di malattia infiammato- ria in fase attiva per escludere cosi una insufficienza cardiaca potenzialmente reversibile. I pazienti selezionati non dovranno presentare si- gnificative lesioni correggibili chirurgicamente, come valvulopatie, coronaropatie, aneurismi ventricolari; possono essere maschi o femmine, ma I'eta non deve essere inferiore ai 18 anni; devono inoltre presentare un peggioramento considerato irreversibile e non responsivo a1 trattamento indicato per la classe IV. (I pazienti che rispondono a1 trattamento vengono considerati appartenenti a classi meno gravi, cioe classe 111, ecc.).

Per avere la certezza che il trattamento con- venzionale non sia efficace il paziente deve re- stare nella classe IV per un period0 minimo di 8 settimane, durante il quale i segni clinici o i n- sultati del cateterismo cardiaco o dei test di sfor- zo o tutti questi criteri complessivamente non indicano alcun miglioramento. Se il paziente e in gravi condizioni e risulta evidente che un ulteriore rinvio nell'impianto del cuore artificiale non arrecherebbe alcun beneficio, allora, con I'accordo unanime del comitato di valutazione, si pub eseguire I'impianto prima dello scadere delle 8 settimane.

Per avere la garanzia di un corretto follow-up a domicilio dopo I'intervento, il paziente deve accettare di vivere nei ~ r e s s i del Medical Center (a meno di 45 minuti di automobile). Deve avere una situazione familiare stabile, una moglie fidata o un'altra persona in grado di prowedere alla necessaria assistenza a domicilio; inoltre I'anamnesi deve dimostrare una buona com- pliance medica.

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fondamentale che il paziente sia consapevole della sua condizione e che sia capace di com~rendere i meccanismi del sistema propulsore del cuore artificiale. Deve essere sano di mente e legalmente res~onsabile delle proprie azioni, psicologicamente stabile e senza alcun indizio di propensione per I'alcool o per droghe. Inoltre il paziente non deve presentare alcuna altra malattia invalidante (insufficienza renale

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cronica, trombosi o emorragia cerebrovascolare, cancro, epatopatie, discrasie ematiche, grave pneumopatia ostruttiva cronica, ecc.) o segni di una grave infezione sistemica o locale (endocar- dite batterica subacuta o sepsi).

I1 comitato di valutazione ha la responsabiliti di accertarsi che il paziente non sia affetto da altre malattie che potrebbero compromettere il buon funzionamento del cuore artificiale e rendere cosi inutile il suo impianto.

DESCRIZIONE DI UN CASO

Un dentista di 61 anni venne ricoverato nel- I'Universiti dello Utah Medical Center per essere sottoposto all'impianto di un cuore artificiale totale, a110 scopo di correggere uno scompenso cardiaco congestizio secondario ad una cardiomiopatia idiopatica. I1 paziente aveva iniziato a soffrire di facile affaticabiliti e di dispnea 7 anni prima e nei due anni e mezzo precedenti questo ricovero era stato sottoposto ad intense terapie mediche per grave scompenso cardiaco congestizio e bassa gettata cardiaca. I1 trattamento medico consisteva nella somministrazione di diuretici, nitroderivati ad azione protratta, vasodilata- tori, digossina, warfarin, captopril, amrinone e i n un tentativo di terapia immunosoppressiva (prednisone e azatioprina). Gli effetti benefici iniziali di questa terapia furono di breve durata e 6 settimane prima del ricovero per I'impianto del cuore artificiale il paziente venne ospedaliz- zato per essere sottoposto a terapia endovenosa con dobutamina associata ad un aumentato do- saggio di diuretici.

A causa dell'ipertensione polmonare e del- Yeti, questo paziente non era considerato idoneo per un trapianto di cuore o di cuore-polmo- ne, in base a quanto stabilito dai protocolli adot- tati dai centri di trapianto. Erano state tentate tutte le terapie mediche disponibili senza alcun vantaggio e nessun altro apparecchio (per esempio un dispositivo di supporto per il ventricolo sinistro) avrebbe potuto essere d'aiuto. Non si poteva quindi dubitare dell'inutiliti di un ulteriore trattamento medico. Gli esami di accerta-

paziente firmb un documento di consenso di 11 pagine che comprendeva quanto segue:

"Con questo documento faccio richiesta ed autorizzo il rnio medico a procedere all'impian- to di un cuore artificiale totale sperimentale. So- n o a conoscenza del fatto che i ventricoli, le due maggiori caviti pompanti delle quattro che co- stituiscono il cuore, verranno asportati dal rnio cuore naturale e che verri inserito nel rnio torace un cuore meccanico nello spazio occupato in precedenza dal rnio cuore naturale. Questo dispositivo meccanico renderi necessario il colle- gamento del mio corpo con un sistema per la trasmissione di aria mediante due tubi in plasti- ca lunghi 8 piedi, allo scopo di pompare il san-

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gue attraverso il cuore meccanico e di farlo circo- lare attraverso l'organismo. Sono consapevole

the le mie abitudini di vita cambieranno in modo significativo a causa del cuore artificiale e la rnia attiviti Sara notevolmente limitata dai tubi di trasmissione. I1 sistema propulsore esterno non renderi necessaria la mia permanenza a let- to, ma mi consentiri a1 massimo di spostarmi da una stanza all'altra. Potrb uscire per brevi perio- di e viaggiare in un'automobile o in un furgone, purchP siano in grado di trasportare il sistema propulsore esterno. Potrb svolgere in mod0 normale molte attiviti della vita quotidiana, ad esempio andare alla toilette, mangiare, leggere e lavorare ad una scrivania.

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possibile, tuttavia, che si renda necessaria la mia permanenza a let- to a causa del dolore, della debolezza o di altri problemi

...

"Sono stato informato anche dei considerevo- li rischi che comporta la chimrgia cardiovascolare e l'anestesia generale e sono consapevole del fatto che in conseguenza dell'impianto di un cuore artificiale vi siano ulteriori rischi, oltre a quelli che comporta la chimrgia cardiovascolare, che possono indurre la morte o gravi danni all'organismo come:

a) emboli (liberati da un trombo) che possono causare un ictus, o un danno parziale a carico di un organo o di una funzione dell'organi- srno;

b) cattivo funzionamento o insufficienza

che d a m 0 origine ai processi immunitari) che potrebbe causare un'alterazione del sistema im- munitario o anemia;

f ) emorragia interna causata da difetti dei meccanismi della coagulazione del sangue se- condari alla presenza del cuore artificiale;

g) pneumotorace, ossia presenza di aria nella caviti toracica che pub causare dispnea e che pub rendere necessario I'inserimento di un tub0 separato nel mio torace.

"Dato che si tratta di una procedura altamente sperimentale vi possono essere altri rischi poten- ziali che non sono attualmente prevedibili e le cornplicazioni citate in precedenza non dovreb- bero essere considerate esaustive, ma soltanto esemplificative

...

"Non mi 6 stata fatta alcuna ipotesi di soprav- vivenza con il rnio cuore naturale scompensato, n& mi P stato garantito in alcun mod0 che I'impianto del cuore artificiale aumenteri la mia aspettativa di vita. I n effetti questo impianto potrebbe abbreviare la mia soprawivenza

...".

A1 momento del ricovero il paziente era affet- to da scompenso cardiaco congestizio in fase terminale con turgore delle vene del collo, rantoli polmonari bilaterali, ascite massiva e marcati edemi alle estremita inferiori (Tavola 9).

La pressione arteriosa era di 85/70 mmHg e la frequenza cardiaca di 100 batt./min. con molte- plici episodi di tachicardia ventricolare e di con- trazioni premature multifocali.

L'ematocrito era pari a1 50% e i valori dell'azo- temia e della creatininemia corrispondevano ri- spettivamente a 58 mg/100 ml e a 2,2 mg/100 ml. La scintigrafia preoperatoria evidenzib un indice cardiaco di 1,6 I/rnin./mz ed una frazione di eiezione inferiore a1 10%. Mentre il paziente veniva preparato all'intervento chimrgico si verificaro- no un drarnmatico aumento dell'irritabiliti ventricolare e una transitoria perdita di coscienza causata da episodi di tachicardia ventricolare che duravano fino a 90 secondi. Era praticamente certo che la morte sarebbe soprawenuta nel giro di minuti o a1 massimo di ore e il paziente venne percib portato in sala operatoria in condizioni di emergenza.

mento erano stati condotti in mod0 approfondi- meccanica del cuore artificiale stesso;

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. Decorso operatorio e postoperatorio

to ed esauriente ed erano stati inclusi anche far- c) infezione del sangue (sepsi) o dei cavi di

maci sperimentali ad azione inotropa e studi su trasmissione del dispositivo del cuore artificiale I1 paziente fu anestetizzato con fentanyl ed biopsie endomiocardiche. In base a questi prece- o infezione del dispositivo stesso;

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ebbc quindi inizjo l'interuento opcratorio (Ta- denti e a causa della natura e della frequenza d) emorragia derivante dall'azione del disposi- vole 10-13). Si apri il torace e si asportarono i delle aritmie. il oaziente veniva considerato in - _, tivo del cuore artificiale sui vasi o dall'interven- ventricoli destro e sinistro a live110 del solco co-

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fase preterminale ed era stato ritenuto un candi- to chimrgico sul cuore o da altre cause; ronarico. Sia l'arteria polmonare, sia I'aorta furo- dato idoneo per l'impianto di un cuore artifi- e) danno agli eritrociti (che trasportano l'ossi- n o sezionate sopra le valvole e furono applicati

ciale. geno e l'anidride carbonica), alle piastrine (che in sede i quattro manicotti di Dacron della pro-

I1 giorno in cui venne ricoverato, il 29 novem- intervengono nella coagulazione del sangue) o ai tesi artificiale con punti di Prolene. I due cavi di bre 1982 e nuovamente il giorno successivo, il leucociti (che fagocitano le sostanze estranee e trasmissione furono portati, attraverso due ferite

a fenditura, a livello cutaneo nell'area periombe- k a l e sinistra (Tavola 14). L'intervento venne complicaco da un'aumentata fragiliti tissutale e da un'iniziale ostruzione del ventricolo artificiale sinistro che rese necessaria la sua sostituzione. I1 pazience si adattb facilmente a1 distacco della pompa del by-pass e quando si ristabili un'emo- dinamica normale si richiuse il torace.

Dopo un normale period0 di recupero il paziente riprese conoscenza e dopo 2 giorni dall'intenento fu possibile togliere l'intubazio- ne (Tavola 15). La gettata cardiaca si assestb gra- datamente sui 6,5 I/min. con un indice cardiaco di 3,2 I/min./m2. La frequenza cardiaca corri- spondeva a 95 batt./min. e la pressione arteriosa sistemica a 124/60 mmHg con una pressione atriale media di 12 mmHg, una pressione dell'arteria polmonare di 36/20 mmHg e una pressione dell'atrio destro di 12 mmHg.

Le sezioni istologiche del cuore asportato evi- denziarono l'estensione del deterioramento rnio- cardico (Tavola 15).

La ripresa del paziente fu ostacolata da varie complicazioni cardiache comprendenti la rottura di diverse bolle polmonari che determinb l'in- staurarsi di un enfisema sottocutaneo ingrave- scente, rendendo necessaria la chiusura chirurgica. I1 paziente fu colpito anche da necrosi tubu- lare acuta intermittente, inizialmente secondaria a1 by-pass cardiopolmonare e, successivamente, alla somministrazione di antibiotici nefrotos- sici.

Un'altra complicazione non cardiaca fu una persistente emorragia nasale che rese necessaria un'esplorazione chirurgica, per legare le arterie nasali, e la correzione di un'accentuata deviazio- ne del setto nasale. I1 paziente dovette costante- mente lottare con un'insufficienza respiratona secondaria ad una pneumopatia cronica ostruttiva di vecchia data, che venne ulteriormente aggravata da una polmonite da aspirazione (pag. 25). In sesta giornata il paziente fu colpito da un access0 epilettico generalizzato. Anche se non fu possibile stabilirne la causa P probabile che l'accesso epilettico sia stato indotto da una sindrome correlata a1 flusso. I risultati di tutti gli esami metabolici ed organici furono negativi.

Tra queste complicazioni postoperatorie la so- la in rappofio con il cuore a~tjficiale totale fu la rottura del puntone principale della protesi val- volare corrispondente alla mitrale. Quando la disfunzione fu individuata si collegarono i due ventricoli a sistemi propulsori separati a110 scopo di stabilizzare le condizioni cliniche del paziente e di prevenire un edema polmonare. Do- po circa 45 minuti il paziente venne riportato in

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Tavola 11 . - - - - - -- .- - -

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Procedura operatoria (continuazione) f _F Procedura operatoria (continuazione)

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Tavola 13

Procedura operatoria (continuazione)

Tavola 14

lnserirnento dei cavi di trasrnissione diretti al sistema propulsore del cuore pneumatic0

\- c u t e

Cavi di trasrnissione che emergono dai bottoni cutanei

Tessuto sottocutaneo

Cavo di trasrnissione

Tubo in tessuto d i Teflon ripiegato su se stesso

Flangia sottocutanea In tessuto d i Teflon

Spazio per il tampone .

applicato al cavo

Cavo d i trasrnissione Bottone cutaneo

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Tavola 11

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Procedura operatoria (continuazione) -

Tavola 12 Procedura operatoria (continuazione)

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Tavola 13

Procedura operatoria (continuazione)

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Tavola 14

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Tavola 15

Cuore artificiale funzionante in sede

sala operatoria per sostituire il ventricolo sinistro (Tavola 16).

I1 paziente si riprese rapidamente da questo intervent0 (Tavola 17).

Dato che al rnomento del ricovero il paziente era gravemente denutrito, fu necessario attuare fin dall'inizio un'intensa terapia nutrizionale mediante una sonda per alimentazione enterale. Prima di raggiungere la positiviti del bilancio azotato furono necessarie diverse settimane di alimentazione. Mediante una terapia fisica quotidiana il paziente recupero la forza e la massa corporea e fu in grado di iniziare a camminare nel corso dell'ultima parte del primo mese post-operatorio (Tavola 18).

Dopo tre mesi dall'intervento le condizioni mentali del paziente erano normali, l'appetito era soddisfacente, tutte le ferite chirurgiche si erano cicatrizzate in modo soddisfacente senza alcun segno di infezione e l'attiviti fisica veniva aumentata gradualmente. I valori del sistema acido-base, i livelli degli elettroliti ed il profilo ematologico erano cornplessivamente nella nor- ma. La concentrazione sierica dell'enzima lattico-deidrogenasi era ancora elevata (400 uniti) e l'ematocrito era stabilmente pari a1 32%.

Questi risultati erano in linea con quelli ottenuti negli animali da esperirnento.

In tutti gli animali infatti si presenta un lieve innalzamento cronico della lattico-deidrogenasi ed una lieve diminuzione dell'ematocrito, ma le alterazioni di ambedue i parametri non raggiun- gono la significativiti clinica. I1 cuore Jarvik-7 non determina alcun effetto negativo sulla fun- zionalita renale, epatica o polmonare.

Le condizioni dell'apparato respiratorio del paziente si erano stabilizzate e si decise di antici- pare la dimissione dall'ospedale. Tuttavia, in 92a giornata (un giorno prima della chiusura della tracheostomia) il paziente venne colpito da una sindrome similinfluenzale con vornito. Successi- vamente si sviluppb una polmonite da aspirazione con flora batterica mista costituita da Gram- negativi. Anche le emocolture risultarono positi- ve per i microrganismi Gram-negativi e si attuo quindi una terapia antibiotica ad ampio spettro, associata a un supporto ventilatorio e a nutrizio- ne parenterale. Sebbene vi fosse una graduale ri- ---soluzione della polmonite e della sepsi, si sviluppb rapidamente una progressiva insufficienza

'. renale e aumentb l'emissione di feci ernatiche e

l'ottundimento mentale. In seguito alla diagnosi di enterocolite pseudomembranosa, effettuata mediante sigmoidoscopia, si modifico la terapia antibiotica. Nonostante la negativiti delle emocolture si sviluppb un collasso vascolare ed il paziente mori dopo 112 giorni dall'impianto del

cuore.

L'esame autopico evidenzib una grave enterocolite pseudomembranosa. 11 Clostridium dzficik isolato dal colon e posto in coltura, fu ritenuto quasi certamente il responsabile della sindrome terminale indotta da shock endotossico. N o n si evidenzib alcun segno di ernbolia a livello polmonare, epatico ed intestinale. Si identificarono diversi infarti splenici di piccole dimensioni, cosi come numerosi piccoli infarti di vecchia data, di probabile origine ipossica, sulla superfide del cervelletto. I1 cuore artificiale e gli atri naturali non presentavano alcun segno di trombosi, di panno o di calcificazione. N o n si riscontraro- no segni d'infezione in alcun componente del dispositivo prostetico.

La spesa per impiantare il cuore artificiale po- t r i essere apparentemente confrontabile con quella necessaria per un trapianto cardiaco. Un trapianto cardiaco non complicato costa da 30.000 a 60.000 dollari. Anche se il costo dell'impianto del cuore artifidale nei primi pazienti sari nettamente superiore a causa della ne- cessiti di ottenere approfonditi dati sperimentali, il dispositivo (comprendente tutti i sistemi di propulsione ed il compressore per uso dornesti- co) sari disponibile a1 costo di circa 20.000 dollari. La spesa mensile di manutenzione comprendente il canone per ricaricare i serbatoi del- l'aria, l'elettricita per alimentare l'apparecchio ed il costo di rnanutenzione del compressore dovrebbe essere mediamente inferiore ai 50 dollari. RICERCHE IN CORSO

Una fondamentale prioriti negli esperimenti sul cuore artificiale spetta allo sviluppo di un sisterna propulsore pih piccolo e pih cornpatto rispetto a quello utilizzato per il primo paziente. I1 sistema propulsore portatile attualrnente in fase di sperirnentazione pesa circa 8 libre ed ha le dimensioni all'incirca di una piccola custodia per cinepresa. Questo sisterna 6 completamente portatile ed ha batterie ricaricabili che fornisco- no energia fino a un massimo di 3 ore. I risultati ottenuti sottoponendo ad esercizio numerosi animali, in cui veniva utilizzato questo apparecchio, sono stati eccellenti. Sono in corso anche esperimenti con cuori azionati da un dispositivo pneumatic0 che possono essere inseriti in sede ectopica senza asportare il cuore naturale (Tavo- la 19). Cio pub consentire un parziale recupero del cuore malato. Presto potranno essere disponibili dispositivi di supporto per il ventricolo

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Tavola 18

I progressi del paziente (continuazione)

Eccellente miglioramento fisico e psichico del paziente soltanto poche settimane prima di un improvviso peggioramento che lo port6 al decesso. (Una grave colite membranosa. sviluppatasi come complicazione di una terapia antibiotica, determinb uno shock endotossico con collasso vascolare progressivo)

Tavola 19 Prospettive future

I1 ventricolo artificiale sperimentale progettato da Kolff e realizzato interamente in fogli di poliuretano modellati sotto vuoto. Questo process0 consente di ridurre enormemente i costi ed i tempi di produzione e di eliminare tutte le parti metalliche. II modello e dotato anche di valvole a tre lembi modellate sotto vuoto e, come il cuore Jarvik-7, 6 azionato da un diaframma mosso da aria compressa

Dall'atrio sinistro '0

All'arter~a polmonare

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+

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a propusore

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pneumat,co-

All'aorta

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del cuore

In futuro, Sara possibile lasciare nella sua sede 11 cuore naturale e trapiantare su ciascun lato i ventricoli modellati sotto vuoto. In questo modello il ventricolo sinistro riceve il sangue dall'atrio sinistro e lo pompa nell'aorta, mentre il ventricolo destro riceve il sangue dall'atrio destro e lo pompa nell'arteria polmonare. I ventricoli invadono in parte lo spazio occupato dai polmoni, ma la capacita polmonare dovrebbe essere sufficiente. Questa tecnica e stata sperimentata sugli animali, ma deve essere ulteriormente perfezionata Prima di poterla applicare all'uomo

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Tavola 20

Pros~ettive future Icontinuazione) destro e sinistro, per impiego a lung0 termine. 11 cuore elettroidraulico

11 progetto del cuore Jarvik-7 viene sottoposto a continue modifiche. L'obiettivo finale i: quelio di ottenere un dispositivo completamente irn- piantab&. Alla fine il cuore elettroidraulico so- stituiri probabilmente gli apparecchi attuali (Ta- vola 20).

In questo cuore viene irnpiegato un convertitore elettroidraulico di energia che presenta soltanto una parte in movimento. La ventola giran- te di una pompa a flusso assiale P attaccata a1 rotore di u n motore a corrente continua con u n singolo supporto idrodinamico che sostiene sia la ventola, sia il rotore. Invertendo la rotazione della pompa s'inverte la direzione del flusso idraulico. I1 fluido idraulico (olio di silicone a bassa viscositi), come I'aria compressa, mette in ' moto il diaframma di una pompa per il sangue. Nei dispositivi di supporto per il ventricolo sinistro una pompa a flusso assiale spinge avanti e indietro il fluido idraulico da un serbatoio alla pompa per il sangue. Nel cuore artificiale totale il fluido idraulico viene pompato avanti e indietro tra i due ventricoli.

I1 convertitore di energia di questo apparec-

Gli Autori desiderano esprimere il loro apprezzamento all. gno prestato a1 Dr. Clark ed alla Cquipe medica e per aver restante mondo medico.

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180 '

chi0 P cosi piccolo e cosi semplice dal punto di vista meccanico che pub essere impiantato senza arrecare danni a strutture vitali. H a un peso di circa 85 g e occupa un volume di circa 30 cc, che corrisponde approssimativamente a1 volume di una batteria per flash di medie dimensioni. I1

modello attuale di convertitore necessita di una batteria esterna e di un microcomputer che vengono collegati al cuore mediante u n piccolo cavo che passa attraverso il torace.

Le batterie pesano da 2 a 5 libre e potrebbero essere poste in un indumento o appese ad una cintura.

CONSIDERAZIONI FINAL1

Proprio come gli iniziali tentativi di volo dei fratelli Wright che sembrano rozzi se confronta- ti con gli attuali voli nello spazio, cosi un giorno questi primi esperirnenti con cuori meccanici sembreranno primitivi. Gli esperimenti hanno finora suscitato molti interrogativi critici di ca- rattere sociale, economico, tecnico, etico e.medico. Forse nessun altro settore della medicina coinvolgera tanti aspetti della nostra vita quotidiana come le future risposte a questi interrogativi.

a Signora Clark ed ai suoi figli per lo straordinario soste- permesso che questo materiale venisse condiviso con il

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